إبتكار تقنى ..الإنتقال البعدى الكمومي
The next communication innovation? Quantum teleportation
TAKEFUMI KAWAGUCHI, Nikkei staff writer
طوكيو (رويترز) - لا حاجة للكابلات وسرعات النقل أسرع مليون مرة من الاتصالات البصرية اليوم. وهذا هو الوعد بالتحريك بتخاطر الكم، الذى يتم بواسطتة نقل البيانات تيليبورتيد بدلا من الإرسال فيزيائيا.
وقد أدركت كفاءة تحريك تخاطر الكم العالية باستخدام هذا الجهاز التجريبي الذى بناه أكيرا فيوروساوا، وصنع بأكثر من 500 من المرايا والعدسات.
والتكنولوجيا، التي تعتمد على معلومات من فوتون واحد يجري تقاسمها على الفور مع آخر، فوتون بعيد، بعيد كل البعد عن كونه جاهزة لوقت الذروة. ولكن سبق أن حققت نتائج تجريبية كبيرة، بما في ذلك العمل المنوي من جامعة طوكيو أستاذ أكيرا فيوروساوا، 52، الشركة الرائدة في مجال ميكانيكا الكم والحوسبة الكمومية.
لا تنخدع لهذا المصطلح.
كما هو الأمر يتمثل أكثر شعبية من قبل الخيال العلمي الشهير الذي وضح من خلال التحريك في "ستار تريك"، عن طريق التخاطر ويتصور نقل كم من الأشياء المادية من مكان إلى آخر.
ولكن لا شيء مادى يحدث له إنتقال في التحريك بالتخاطر الكمى: الشيء الوحيد هو نقل المعلومات الكمومية، في الحالة الكمية التى تتمخض في إنتقال فوتون واحد يؤثر على الفور في حالة فوتون آخر في مكان بعيد.
من الناحية النظرية، إنه يشبه قليلا عملية إرسال فاكس، ولكن إرسال المعلومات الكمومية يدمر الشىء الأصلي، وذلك بسبب قوانين الفيزياء الكمومية.
آسف، أينشتاين
أجري فيوروساوا أول تجاربه الناجحة حول الإنتقال البعدى الكمومي في عام 1998. وقال انه كان في إجازة من عمله في مختبر أبحاث نيكون ويدرس في الولايات المتحدة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في مختبر جيف كيمبل.
جذب التقرير بخصوص ذلك النجاح في مجلة ساينس العلمية الاهتمام العالمي لأن التجارب استندت إلى نظرية تشابك الكم، والتي يعتقد أن تشكك ألبرت أينشتاين كان في غير موضعه.
تشابك الكم هو ظاهرة تحدث للأزواج من الفوتونات أو الجسيمات الأخرى التي تم إنشاؤها في نفس الوقت. مهما كانت بعيدة عن بعضها البعض بحيث يكمن اثنين من الجزيئات "متشابكين" في نهاية المطاف، وفي لحظة حدوث أن المعلومات الكمومية في واحد منهما يتم تبديل، فإن المعلومات في الجهة الأخرى تتغير أيضا.
آينشتاين نفسه هو أول طرح فكرة تشابك الكم ولكنه كان يشكك في أنها موجودة حقا، نافيا ظاهرة بأنها "عمل مجفل عن بعد". وقد أثبتت تجارب فيوروساوا تحريك تخاطر الكم خلاف ماإعتقد ألبرت أينشتاين.
التجارب، التي من أجلها بني فيوروساوا جهازا يضم أكثر من 100 من العدسات وعدد من الأجهزة لاستخراج الفوتونات. انه استخدم هذا الإعداد لإنشاء أزواج من الفوتونات من فوتونات فردية ومن ثم إلى تأكيد أنه عندما تضاف معلومات محددة إلى فوتون واحد من الزوج، فإن المعلومات يتم نقلها على الفور إلى الفوتون الآخر.
"يمكننا الآن التحقق من صحة نظرية أينشتاين التي جحد حدوثها" قال فيوروساوا.
خبرة فيوروساوا هى في الخصائص الفيزيائية لمواد أشباه الموصلات، ولكنه عندما انضم إلى نيكون بعد استكمال دراساته العليا، قال انه بدأ البحث في مجال البصريات الكمومية. "أردت أن أفعل شيئا لم يكن أحد آخر قد فكر بالقيام به"، قال وقرر أن يذهب إلى الولايات المتحدة في عام 1996 للدراسة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا مع كيمبل، الذي كان في طليعة معاهد البصريات الكمومية، لأنه "يريد أن يجرى تجاربه العملية في أعلى مختبر من نوعه في العالم."
خلفيته في مواد أشباه الموصلات ثبت أنها لا تقدر بثمن، حيث سمحت له أن يقدم التجارب المشتملة على تحريك التخاطر الكمومى في مؤتمر دولي في علم البصريات الكمومية بعد عامين فقط من انتقاله إلى الولايات المتحدة "لقد كنت حقا مجرد باحث هاوى في مجال البصريات الكمومية، ولكنى أدركت بشكل منهجي الدوائر والتحكم في الآليات المطلوبة للتجارب ".
مع هذا النجاح في متناول اليد، قرر فيوروساوا العودة إلى اليابان في عام 1998، حيث قد علم أن نيكون قد أغلق مختبر أبحاث نيكون بسبب الركود.وشعر بالإحباط، وقال انه استقال من نيكون في عام 2000وتقدم بطلب للحصول على منصب أستاذ مساعد في جامعة طوكيو. وقال انه حصل على الوظيفة ويرجع ذلك جزئيا إلى كون مجلة العلوم قد اختارت تحريك التخاطر الكمومى باعتباره واحدا من أكبر عشر اختراقات من عام 1998. "كنت محظوظا للغاية"، قال ذلك فيوروساوا مع ابتسامة.
إزالة العقبات
في الاتصالات البصرية الحديثة، نبضات الضوء تنتقل على طول حزم من الألياف البصرية تحمل المعلومات. ولكن لأن الضوء يضعف ، أو يعتريه الوهن ، على مدى المسافات ،فإنه لا بد من وجود مضخمات على طول رحلتها باستخدام أجهزة التكرار. هذه العملية تستهلك كميات هائلة من الطاقة الكهربائية.
وسوف يخفض استهلاك الطاقة إلى حد كبير بظهور الحواسيب الكمومية، لأن هذه الآلات يمكن قراءة المعلومات حتى من قبل الضوء الشديد الخفوت.
بالنظر إلى المسيرة نحو كميات أكبر من أي وقت مضى من البيانات التي يتم معالجتها تنتقل بسرعة بشكل أسرع وذلك أمر لامفر منه ، من أي وقت مضى , عند تلك النقطة يعتبر تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية حاجة العصر.
منذ انضمامه لجامعة طوكيو، واصل فيوروساوا مشواره لتوسيع إمكانيات تحريك تخاطر الكمومى في السبل التي من شأنها المساعدة في تحقيق مثل هذه الحواسيب لتصبح أقرب إلى الواقع.
في عام 2004، قال انه عرض ما يسمى بشبكة تحريك تخاطر الكم مع تشابك الكم المشتركة بين ثلاثة أطراف وقال انه في عام 2009 أمكنه توسيع هذه الشبكة لتسعة أطراف.
في شهر آب من عام 2013، وضع فيوروساوا وسيلة لتحسين كفاءة نقل تحريك تخاطر الكم. "إن القدرة على نقل المعلومات بطريقة ذات كفاءة عالية يمكن أن تزيد بشكل كبير من قدرات معالجة البيانات وتؤدي إلى الاستخدام العملي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية" ، هكذا أوضح.
في الاجهزة التقليدية لتحريك التخاطر الكمومى ، فإن الفوتونات فقط كانت تحمل معلومات لا تتعدى حتى 1٪ من المعلومات التي يمكن إرسالها. ولكن أيضا باستخدام الموجات الضوئية لنقل المعلومات، فقد كان ذلك مؤشرا لزيادة كفاءة النقل إلى نحو 60٪ هكذا أوضح فيوروساوا.
وفى تجارب أغسطس وضع فيوروساوا كل ما لديه من الخبرة والمعرفة اللازمة لمهمة تصميم الجهاز ، وبناء جدولا بصريا مزودا بأكثر من 500 من العدسات والمرايا وأجهزة بصرية أخرى. وعلى الرغم من العشوائية في المظهر، فقد كانت المرايا والعدسات المختلفة قد وضعت بالضبط لمرور ضوء الليزر.
جاء تقدما هاما آخر في نوفمبر تشرين الثاني من عام 2013، عندما اعتمد فيوروساوا طريقة لمضاعفة التشابك الكمومى الضوئي لتوليد أكثر من 16،000 من الوسائط ، والذي كان ثلاثة أوامر من حجم أكبر من السابق أكبر حالة متشابكة من 14 وسائط .
لأن أجهزة الكمبيوتر الكمومى تتناول المعلومات على هيئة بتات كمومية أو qubits ، بدلا من البتات العادية، فإنها تعد بقدرات مذهلة من طحن البيانات متجاوزة بكثير حتى أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم.
كان الإنجاز في نوفمبر تشرين الثاني لفيوروساوا مهما لأنها عبرت أكثر عقبة نحو تطوير العملية من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. الحالات الأكثر تشابكا تسمح للانتقال لحجم أكبر ومعالجة للمعلومات أسرع، وفقا لفيوروساوا "لم يعد هناك أي حدود لمدى يمكن إنشاء العديد من الحالات أو العقد المتشابكة".
بطبيعة الحال، فيوروساوا ليس وحده في الدراسه، والبحث نحو تحقيق أجهزة الكمبيوتر الكمومية هو التقاط البخار في أماكن أخرى في اليابان أيضا.
وقد وضعت مختبرات البحوث الأساسية NTT وسيلة للقضاء على الفجوة الزمنية التي تنشأ أثناء المعالجة عن طريق مواءمة الفوتونات التى تستخدم للحسابات.
رايكن و NEC وفي الوقت ذاته، وضعا التكنولوجيا لقراءة أكثر دقة للمعلومات. باستخدام دوائر مصنوعة من مادة فائقة التوصيل لمنع الضوضاء التي يمكن أن تغير حالة ال qubits , وهكذا يمكن إعداد تحديد تلك الحالات مع دقة تصل إلى 90٪.
فيوروساوا عنده حماسة لا حدود لها، ولكنه أيضا واقعي. واضاف "اننا لا تزال بعيدا"، هكذا يحذر.
ويلاحظ فيوروساوا أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية مهمة ليس فقط بسبب قدرات معالجة البيانات المذهلة الخاصة بها. "نحن في خضم انفجار في المعلومات، والكهرباء التي تستهلكها أجهزة الحواسيب آخذة في الارتفاع إذا نحن أصبحنا ندرك ماهية أجهزة الحواسيب الكمومية، فحينئذ نحن يمكننا أن تقلل من عدد الملقمات أو السرفرات في العملية وتحقق أيضا الأداء العالي ، حيث إتصالات منخفضة الطاقة، ونحن يمكن تحقيق شبكة الاتصالات التي هي أخف وطأة على الأرض ".